光纤陀螺仪与电锤防扭伤的设计

　　电锤是一种常见的电动工具，以其独特且强大的钻孔功能和便捷的使用方式广泛应用于建筑和装饰等工程领域。特别是在室内外悬挂安装工程等方面更是不可或缺。然而，在电锤的使用过程中却经常发生一些伤人事故，严重地威胁作业人员的人身安全。例如在钢筋混凝土钻孔作业时，一旦钻头遇到钢筋突然卡住，扭矩瞬间加大，致使锤身发生反转而扭伤作业人员的手臂，轻者会造成作业人员软组织扭伤，重者则会让作业人员的骨折乃至有生命危险。因此，电锤的安全性就成为电锤设计的重要内容。

　　通过基本调研分析可知，电锤伤人的根本原因是钻头被卡致使锤身发生反转而扭伤作业人员，因此，如何控制锤身不在瞬间发生反转或反转的角度小于致人受伤的程度是解决此问题的关键。
　　在正常情况下，人手臂的轴向旋转极限角为正负270°，其中约220°为体力控制有效区间，220至270度之间为体力控制失效临界区间，270°以外为体力控制完全失效区间。而作业者被伤害的瞬间正是失效临界区间和完全失效区间。由此可以认定：要有效地保护电锤作业者的人身安全，就必须使电锤的瞬间反转角度控制在正负220°以内，就是说̶ 0;在电锤作业中一旦因卡而瞬间发生反转时，从发生反转的始角0°至终角220°以内必须停止锤身的反转，才能保证作业者的劳动安全。
　　基于上述条件，在锤身一定瞬间反转角度内制动的控制技术是解决问题的关键。该技术应该由二部分组成：第一部分是角动量敏感与测控系统；第二部分是电源控制系统。
　　在正常工作中，如果锤身扭转达到一定的角度值时，通过对扭转角度的测控装置将电锤工作电路断开。从而实现作业者的人身安全。要实现对扭转角度的控制，可以通过以下三个物理量来鉴别：
　　1. 扭转角度θ
　　即当锤身扭转达到临界角θ时，工作电路断开；
　　2. 扭转角速度ω
　　即当锤身扭转达到临界角速度ω时，工作电路断开；
　　3. 扭转角加速度φ
　　即当锤身具有一定相对扭转趋势，达到临界角加速度φ时，工作电路断开。
　　首先，仅仅通过扭转角度θ是无法鉴别作业者是否处于危险状态的。因为在钻孔作业过程中电锤的姿态是动态的，其中就包含着轴向扭转动作，但此时的扭转是由于作业的需要，属于正常操作动作。如果此时的物理量θ被定义为“危险”，电锤就会立即执行“制动”，由此会影响作业效率。因此，该物理量不能作为判断作业过程是否具有“危险”或“安全”的性质。
　　在作业过程中，真正具有“危险”的锤身扭转是具有一定角速度特性的扭转。因此通过角速度ω或角加速度φ才能够判断锤身扭转的属性，即，是“危险”的扭转，还是“安全”的扭转，然后电锤依据该判断做出是否继续运转或制动。
　　目前，常用的对角加速度φ测量装置有如下几种技术：
　　1. K剪切石英加速度测量；
　　2. 静力平衡型硅加速度测量；
　　3. 液乳飞轮式角加速度测量；
　　4. 液环式角加速度传感器。
　　对以上各种加速度计的适用情况进行分析得出以下结论：
　　K剪切石英加速度计
　　采用石英或陶瓷作为敏感元件，利用其本身压电效应，测量加速度值。因其敏感元件自身性能受温度影响较大，不适合野外施工条件，故不适用。
　　静力平衡型硅加速度计
　　该加速度计是在单晶硅上借助半导体加工工艺，制作加速度计的微结构部件，并把相关的电子线路也集成在同一芯片上。具有体积小，重量轻，成本低和可靠性高等特点，但由于其硅材料受温度影响易导致自身性能变化，故不适用。
　　液乳飞轮式角加速度计
　　该加速度计由传感器和二次仪表两部分组成，主要用于测量微小精密的运载体角加速度。由于其测量精密程度度过高，易于产生过度敏感而做成无故停机，影响作业效率或作业者的情绪，故同样不能适用。
　　液环式角加速度传感器
　　该技术通过液环内的特殊工作液体作为惯性质量，相对于转换器件运动时，因液体的流动导致“转换器件——液体”界面处电荷的转移，通过测量液体流动电势，可直接得到与角加速度信号相对应的电信号。但由于其液体本身易受温度变化影响，故同样也不适合。
　　通过对上述角加速度φ测控技术适应性分析，均因其存在一定的问题被排除。由此对角速度ω的测量技术便成为判断锤身是否“危险”扭转的首选。
　　在角速度测量技术中，陀螺仪是较为成熟且常用的技术。陀螺仪分为机械陀螺仪和光学陀螺仪，其中光学陀螺仪在目前较为先进，其原理是基于sagnac效应，即在同一闭合回路中，由同一光源发出的光，沿顺时针方向和逆时针方向传播，其两束光的光程差、相位差和闭合回路的旋转角速度成正比。因其技术特性，人们谓之“光纤陀螺仪”。该技术与其他惯性传感器比较具有如下的优势
　　能经受振动、加速度和冲击
　　1. 工作寿命和存放期限长
　　2. 动态范围宽
　　3. 响应时间快
　　4. 启动快、功耗低、重量小
　　5. 潜在低成本（因为元件可批量生产）
　　6. 高技术工艺可使系统不受温度影响。
　　通过对光纤陀螺仪的技术特点的分析不难看出，只有该技术能适应电锤的防扭伤技术要求。因此，光纤陀螺仪便成为防扭伤电锤设计的首选技术。以E-CoreTM1000-型光纤陀螺仪为例，可以看出其技术性能与电锤防扭伤技术要求具有良好的匹配性。
　　新一代的E-CoreTM1000光纤陀螺是目前市场上销售的陀螺中性能价格比最好的一种。与传统的机械陀螺相比，它具有更高的精度、更好的可靠性和稳定性，而其价格却与传统的机械陀螺相差无几。
　　E-CoreTM1000采用单轴旋转感应，对动态交叉轴和一般误差不敏感，其优良的带宽特别适合在运动中使用，使其成为跟踪、稳定、导航领域的理想选择。由于采用固态一体化设计，没有机 械陀螺中的离散器件，因此可保证噪音频谱特别平稳，免去了许多由于更换部件所带来的不便和麻烦，安装简单无需维护。
　　E-CoreTM1000基于高精度的光纤陀螺技术，能在分辨率0.05°/ S和带宽100Hz条件下测量100°/ S的角速率，并保持漂移稳定在3°/ h。
　　除了卓越的性能外，E-CoreTM1000还特别适合应用于严酷的恶劣环境，工作温度在-40°- +75°之间，抗冲击90G，平均无故障时间50000小时，不需要重复纠偏，是替代传统机械陀螺的首选产品。

此图为应用上述理论设计的新型防扭伤电锤效果图

　　由于光纤陀螺仪具有其他惯性传感器无法比拟的优势和稳定性，因此，如何应用光纤陀螺仪技术来测量角速度并通过控制电路实现瞬间制动，防止因锤身反转扭伤作业者是新一代电锤人性化设计的一个新思路。

（转自:控制工程中文版）

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